Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время подавляющая часть электронных систем, применяемых как в военных и разведывательных целях, так и в устройствах гражданского назначения - системы связи и коммуникации, средства навигации, и т.п. - работает в условиях, в которых она подвержена в той или иной мере воздействию естественного или искусственного излучения. Эти системы при облучении должны в течение определенного заданного промежутка времени сохранять неизменными свои параметры и поддерживать работоспособность.
Однако при облучении материалов и приборов, составляющих основу элементной базы радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), в них могут протекать различные процессы, приводящие к временному или постоянному изменению их оптических, электрофизических свойств, включая такие , как генерация электронно-дырочных пар при облучении импульсами микроволнового излучения или фотонов, комптоновское рассеяние, фотоэлектрические процессы, образование Оже-электронов и т.д. Под действием нейтронов могут происходить ядерные превращения, а нейтронно-стимулированные реакции могут приводить к появлению вторичных фотонов и заряженных частиц. Эти процессы приводят к изменению параметров элементной базы и характера функционирования блоков и узлов в РЭА. Кроме того, современное развитие микроэлектронной базы направлено на повышение быстродействия и экономичности электронных устройств, следствием чего является уменьшение размеров активных элементов и толщин слоев в планарных структурах. В результате существенно возрастает роль состояния поверхности и границ раздела разнородных материалов, таких как металл-полупроводник, диэлектрик-полупроводник и полупроводник-полупроводник (разного состава или уровня легирования). При прохождении электромагнитного излучения (ЭМИ) через микроэлектронное устройство значительная часть энергии будет рассеиваться и поглощаться на таких структурных неоднородностях и вызывать изменения их оптических и электрофизических характеристик. В результате это может привести к кратковременному или долговременному изменению в функционировании активного элемента и схемы, параметры которого зависят от физического состояния структурной неоднородности.
Развитие техники генерации электромагнитного излучения привело к созданию источников излучения, позволяющих формировать на выходе очень короткие (< 10" с) биполярные и однополярные (видео) импульсы достаточно большой амплитуды ~ 10 В, период следования которых велик (10" ч-10~ с) по сравнению с
длительностью импульса. Взаимодействие таких мощных сверхкоротких импульсов (СКИ) электромагнитного излучения (ЭМИ) с твердотельными структурами, когда времена нарастания и спада фронтов импульса сопоставимы или даже меньше характерных времен релаксационных процессов в диэлектриках и полупроводниках, могут вызывать изменения различных параметров облучаемых объектов, которые могут носить как временный характер (во время и после облучения), так и катастрофический .
Экспериментальные исследования процессов нестационарного нелинейного преобразования энергии СКИ ЭМИ в энергию отклика твердых тел и активных элементов и схем на их основе представляются актуальными.
Сложность построения математического аппарата для адекватного описания процессов взаимодействия сверхкоротких импульсов с различными материалами и структурами приводит к тому, что на данном этапе развития этого научного направления приоритетными являются экспериментальные исследования.
Цель работы. Экспериментальное исследование вольт-фарадных характе
ристик (ВФХ) МДП - структур, емкостных свойств МДМ - и р-n -структур, вход
ных и выходных ВАХ полевых транзисторов, а также процессов поляризации и ре
лаксации в диэлектрических материалах при воздействии наносекундных импуль
сов электромагнитного излучения.
В соответствии с целью работы были сформулированы следующие задачи:
Разработка и создание экспериментального стенда для исследования электрофизических свойств твердотельных структур при воздействии наносекундных импульсов электромагнитного излучения.
Определение характера воздействия наносекундных импульсов электромагнитного излучения на параметры МДП - структур и МДП - транзисторов.
Определение характера воздействия наносекундных импульсов электромагнитного излучения на емкостные свойства МДМ - и р-n -структур.
Изучение процессов поляризации и релаксации, возникающих в результате воздействия наносекундных импульсов электромагнитного излучения, в диэлектрических материалах с подвижными дефектами.
Объекты и методы исследования. В качестве исследуемых были исполь
зованы МДП - структуры, изготовленные на основе пластин кристаллического
кремния марки КЭФ 4,5 и КДБ 12, ориентации <100> с термическим окислом тол
щиной 125 нм и пирогенным окислом толщиной 68 нм соответственно и алюми
ниевыми управляющими электродами (затворами) диаметром 0,8 мм, нанесёнными
методом вакуумной конденсации. Влияние наносекундных импульсов электромаг-
нитного излучения на электрофизические свойства МДП - структур исследовалось методом высокочастотных вольт-фарадных характеристик.
В экспериментах по исследованию влияния СКИ ЭМИ на полевые СВЧ -транзисторы в качестве тестовых объектов были выбраны транзисторы типа: 2П 305. Характер и степень воздействия оценивались по входным и выходным В АХ транзисторов до, во время и после воздействия.
При исследовании влияния СКИ ЭМИ на емкостные свойства МДМ - и р-п -структур были проведены эксперименты по оценке степени влияния СКИ на кварцевые резонаторы в металлическом и в стеклянном корпусе, а также и варикапы. В ходе проведения экспериментов регистрировалась емкость приборов на частоте тестового сигнала 1МГц в малосигнальном режиме (амплитуда сигнала 25 мВ).
При исследовании процессов релаксации в диэлектрических материалах с подвижными дефектами при воздействии СКИ ЭМИ изучалось поведение поляризации кристаллов триглицинсульфата (ТГС). В экспериментах фиксировались значения поляризации до воздействия, во время и после воздействия СКИ ЭМИ. Изменения поляризации оценивались по величине эталонного напряжения иэт по схеме Сойера
- Тауэра.
В экспериментах в качестве источников внешнего воздействия использовались генераторы СКИ ЭМИ, задающие биполярные и однополярные импульсы с частотой следования до 100 кГц. Энергия импульсов на выходе генераторов - 2,4x10 Дж, 1,6х104 Дж, 3,5х10"5 Дж, 1,2х10"5 Дж, . Длительности импульсов и фронтов имели значения 11,5 не и 1,4 - 3,2 не; 10 не и 0,6-0,7 не; 10 не и 0,8 - 1,4 не; 4нс и 0,5
- 0,8 не соответственно.
Научная новизна.
Впервые установлено, что при воздействии СКИ ЭМИ происходит перестройка ВФХ МДП - структур, зависящая от энергии и частоты следования импульсов.
Установлено, что воздействие СКИ ЭМИ приводит к изменению входных и выходных В АХ МДП - транзисторов.
Обнаружено, что под воздействием СКИ ЭМИ происходит скачкообразное увеличение поляризации кристалла ТГС с последующей длительной релаксацией.
Практическая ценность. Результаты исследований, освещенные в ра
боте, могут быть использованы для:
- решения актуальных проблем защиты информационных ресурсов, оценки устойчивости гражданских и других объектов к различного рода электромагнитным воздействиям, как природного, так и искусственного происхождения;
обеспечения функциональной безопасности информационных и телекоммуникационных систем в рамках антитеррористических программ;
контроля качества изделий полупроводниковой промышленности, как на промежуточных, так и на конечных стадиях производства элементной базы, радиоэлектронной аппаратуры и систем связи.
Научные положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся
следующие результаты, впервые полученные в настоящей работе:
Возрастание на порядок плотности поверхностных состояний на границе раздела диэлектрик - полупроводник при воздействии на МДП - структуры СКИ ЭМИ с энергией Е=1,Зх10"5Дж.
Перестройка подвижных дефектов в диэлектрике при воздействии СКИ ЭМИ с Е = 2,5x10"5 Дж с последующей долговременной (до нескольких часов) релаксацией дефектной структуры.
Поляризация диэлектрика в МДП - структурах, происходящая при воздействии СКИ ЭМИ с достаточно большой энергией в импульсах (Е=1,3х10~ Дж), приводит к возрастанию емкости структуры до 40%.
Воздействие СКИ ЭМИ приводит к перестройке входных и выходных ВАХ МДП - транзисторов с увеличением тока стока и уменьшением напряжения отсечки.
Личный вклад автора. Постановка задач, определение направлений исследований выполнены д.ф.-м.н., профессором Тереховым В.А. Разработка методов исследования и основные экспериментальные данные, включенные в диссертацию, осуществлены и получены лично автором или при его непосредственном участии. Автором выполнен анализ и интерпретация полученных результатов, сформулированы выводы и научные положения, выносимые на защиту.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены в виде докладов и обсуждались на:
VII, XII Международных научно-технических конференциях «Радиолокация, навигация, связь», Воронеж, 2001г., 2006 г. соответственно;
Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов - 2005», Москва, 2005 г.
X Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых «ВНКСФ -10», Москва, 2004 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ.
Объем и структура диссертационной работы. Диссертация состоит из
введения, 4 глав и заключения, изложенных на 96 страницах машинописного тек
ста, включая 44 рисунка, 3 таблицы и список литературы из 63 наименований.Похожие диссертации на Особенности электрофизических свойств твердотельных структур при воздействии наносекундных импульсов электромагнитного излучения
